背景
類風濕關節(jié)炎（Rheumatoid arthritis，RA）和骨關節(jié)炎（Osteoarthritis，OA）是常見的風濕性疾病，主要累及關節(jié)。RA是較常見的自身免疫性疾病之一，影響全球約1％的人口。RA的確切原因尚不清楚，然而疾病的發(fā)作似乎是由于遺傳易感性，環(huán)境觸發(fā)因素和機會之間的相互作用所致。RA的特征是關節(jié)滑膜中的炎癥過程失調，最終導致關節(jié)的軟骨和骨質元素被破壞，從而導致疼痛和殘疾。與RA相關的全身性炎癥與多種關節(jié)外合并癥（包括心血管疾?。┫嚓P，導致RA患者的死亡率增加。OA是最普遍的肌肉骨骼疾病，也是關節(jié)炎的最常見形式，涉及關節(jié)軟骨，軟骨下骨，韌帶，膜囊，滑膜和關節(jié)周圍肌肉的結構改變，疼痛是主要癥狀。OA的標志是關節(jié)軟骨變性，下層骨重塑和滑膜炎。OA是全球致殘的主要原因，它影響了40％的70歲以上的人群，并伴有合并癥和死亡的風險增加。
單細胞測序作為這兩年來新興起的技術，在不同研究方向均得到了廣泛應用。在關節(jié)炎研究中，目前也發(fā)表了一些文章，編者做了相應整理和部分文章解讀，以饗讀者。
標題
期刊
發(fā)表時間
技術手段
Distinct fibroblast subsets drive inflammation and damage in arthritis
Nature
2019.5
10 X
Defining inflammatory cell states in rheumatoid arthritis joint synovial tissues by integrating single-cell transcriptomics and mass cytometry
Nature Immunology
2019.5.6
CEL-seq2
Methods for high-dimensonal analysis of cells dissociated from cryopreserved synovial tissue
Arthritis Research & Therapy
2018．7.11
CEL-Seq2
Single-cell RNA-seq analysis reveals the progression of human osteoarthritis
ANNALS OF THE RHEUMATIC DISEASES
2018.7.19
STRT
Single-cell RNA-seq of rheumatoid arthritis
synovial tissue using low-cost microfluidic
instrumentation
Nature communication
2018.2.23
microfluidic
Similar Transition Processes in Synovial Fibroblasts from Rheumatoid Arthritis and Osteoarthritis_ A Single-Cell Study
Journal of Immunology Research
2019.7.24
Smart-Seq2
Functionally distinct disease-associated fibroblast subsets in rheumatoid arthritis
Nature communication
2018.2.23
Smart-Seq2
Mixed-Effects Association of Single Cells Identifies an Expanded Effector CD4+ T Cell Subset in Rheumatoid Arthritis
SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE
2018.10.17
Smart-Seq2
Pathologically expanded peripheral T helper cell subset drives B cells in rheumatoid arthritis
Nature
2017.7.1
Smart-Seq2
題目：單細胞RNA-seq分析揭示人類骨關節(jié)炎進展
單位：中國人民解放軍總醫(yī)院骨科、北京大學北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心
發(fā)表時間：2018.7.19
期刊：ANNALS OF THE RHEUMATIC DISEASES
IF : 14.299
技術手段：單細胞轉錄組測序（STRT）、 免疫組化
目的：了解人類軟骨變性和再生的分子機制有助于改善治療骨關節(jié)炎（OA）的治療策略，使用單細胞RNA測序分析了解人類OA發(fā)病機理的分子程序和譜系進展模式
文章結果
對10例接受骨關節(jié)置換手術、5個疾病階段（state1-5）軟骨樣本的1600個軟骨細胞進行了單細胞測序，數(shù)據(jù)過濾后1464個細胞用于下游分析（上圖A、B）；
PCA分析發(fā)現(xiàn)沿PC2表現(xiàn)出明顯的病程進展（上圖C、D），PC2層次上100個基因（50個PC2陽性基因和50個PC2陰性基因）聚類得到4個clusters。ClusterA組主要由state3和state4軟骨細胞組成（胞外基質組織、膠原蛋白分解代謝），ClusterB組主要由state0和state1軟骨細胞組成（骨骼系統(tǒng)的發(fā)育和細胞壓力應答）（上圖E、F）；
TF分析發(fā)現(xiàn)DNAJC2, GZF1 和ETS2主要在OA早期表達， SOX4、 TRPS1 和 EGR2要在OA晚期表達（上圖G、H）。
單細胞聚類分析得到7個細胞cluster：ProCs,（增殖軟骨細胞）、 preHTCs（肥大前軟骨細胞）、HTCs（肥大軟骨細胞）、FCs（纖維軟骨細胞）、ECs（效應軟骨細胞）、RegCs（調控軟骨細胞）、HomCs（自我平衡軟骨細胞）（上圖A、D）；
擬時序分析發(fā)現(xiàn)EC分布在軌跡的起點，RegC和HomC沿軌跡存在， ProC位于preHTC和HTC的前端，而FC則主要分布在末尾（上圖B）；
疾病階段細胞類型分析發(fā)現(xiàn)ECs和RegCs主要是早期OA軟骨細胞，而preHTCs，HTCs和FCs主要是晚期OA軟骨細胞（上圖C）；
組織學檢測發(fā)現(xiàn)大多數(shù)EC和RegCs分布在軟骨表層區(qū)域，ProCs分布在軟骨增生區(qū)域，preHTC和HTC分布在軟骨肥大區(qū)， FCs主要是晚期OA軟骨細胞，HomCs分布在每一層軟骨中（上圖F）。
ECs和RegCs是新定義OA細胞群體，歲OA發(fā)展數(shù)量減少。ECs表現(xiàn)出較高的代謝速率，包括與三羧酸循環(huán)、糖酵解、氧化磷酸化和脂及氨基酸代謝等相關的進程，提示ECs在能量代謝方面比較活躍。
RegCs主要特征是多種信號通路同時處于活躍狀態(tài)（例如Toll-like receptor,mTOR, TGF-b, p53, JAK/STAT, WNT 和趨化因子信號），提示RegCs在骨關節(jié)炎病程中可能發(fā)揮重要的作用。GSEA顯示RegCs表達抗原處理和抗原呈遞相關的基因，并且固有免疫系統(tǒng)的特異標志物在一部分調節(jié)性軟骨細胞中高水平表達，提示這些細胞具有與免疫細胞激活相關的功能。
ProC、preHTC和HTC是在人類OA關節(jié)軟骨中實證的三種細胞類型，擬時序分析確定preHTC 是ProC 和 HTC的中間狀態(tài)（上圖A-C），特定代表性基因的擬時序表達動態(tài)也標志著從ProC到preHTC到HTC的進展（上圖D），而HTC可以進一步聚類為兩個亞群（HTC-A、HTC-B），具有不同的表達模式：HTC-A表達與軟骨發(fā)育，結締組織發(fā)育和負生長調節(jié)相關的基因，HTC-B豐富與細胞外基質組織，骨化和礦化有關的基因（上圖E、F）。
FCs是一種晚期OA軟骨細胞，表達纖維細胞表型標記物（COL1A1，COL3A1，COL5A1，S100A4）（上圖A）以及膠原纖維組織，血管系統(tǒng)發(fā)育，分解代謝和細胞遷移相關的基因（上圖D）。對每個軟骨細胞的G1/S和G2/M階段標志的表達進行評分，發(fā)現(xiàn)一小部分軟骨細胞正在增殖（上圖B）。
CPCs（cartilage progenitor cells，軟骨組細胞）特異性表達基因顯示出與已知CPCs生物學特性相關的特征，包括細胞周期，染色體組織和DNA復制（上圖D）。分析確定CPC的標記基因：BIRC5，CENPU，UNE2C，DHFR和STMN1（上圖C），這將有助于研究CPC在人類OA軟骨再生中的作用
HomC表達基因主要集中在與調節(jié)細胞穩(wěn)態(tài)有關的過程中，包括調節(jié)細胞周期，發(fā)育，RNA代謝和生物合成，并且在OA的每個階段，來自該簇的細胞比例相對穩(wěn)定。同時HomC高表達生物鐘節(jié)律標志基因（例如PER和SIRT1）（上圖E、F）。該細胞亞型的發(fā)現(xiàn)提示了生物鐘相關機制紊亂可能參與了骨關節(jié)炎的發(fā)生。
為了研究所有類型OA軟骨細胞與可用臨床數(shù)據(jù)之間的關系，研究人員建立了骨關節(jié)炎不同類群軟骨細胞和臨床醫(yī)學特征之間的聯(lián)系，定義了“骨關節(jié)炎關節(jié)軟骨樣本嚴重指數(shù)”指標，該指標結合了特殊手術醫(yī)院（HSS）膝關節(jié)評分系統(tǒng)和OA分期（上圖A）。生物信息學分析發(fā)現(xiàn)了和骨關節(jié)炎疾病發(fā)生相關的336個特征基因，包括199個有利和137個不利基因。有利基因主要在EC，RegC和HomC中表達，不利基因在大部分ProC，preHTC和FC中表達（上圖B）。表明ECs，RegCs和HomCs可以在OA發(fā)展中保護軟骨，而ProCs、PreHTCs、HomCs、FCs可以促進OA發(fā)展。
RT-qPCR分析發(fā)現(xiàn)有益基因（ADRM1和HSPA2）和不利基因（RPS29和COL5A1）無法將早期OA患者（stage 0）與對照區(qū)分開來（對照樣本是16個健康人和16個類風濕性關節(jié)炎患者）。但是可以在晚期OA中，ADRM1、HSPA2、RPS29和COL5A1可作為有價值的生物標志物，曲線下面積分別為0.878、0.896、0.899、0.936（上圖G）
